基于信道仿真器全面測試LTE系統(tǒng)

短短幾年間，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就已從開始時的緩慢不堪以致沒法實用，發(fā)展到現(xiàn)今如像Wi–Fi一樣好用。隨著消費者和商業(yè)應(yīng)用開發(fā)者急于找到能利用改進的移動數(shù)據(jù)服務(wù)所需的方法，技術(shù)專家也在努力提供更新、更快、更強大的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)以支持這種需求。

隨著用戶、手機制造商、應(yīng)用開發(fā)商和服務(wù)提供商都把注意力專注于將拉動市場增長的下一個大應(yīng)用，目前的手機行業(yè)的關(guān)注重點已從“最少掉線”轉(zhuǎn)移到“最快網(wǎng)絡(luò)”上。這種需求的增長主要來自數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)容量受到限制，因此為維持這種增長，就需要網(wǎng)絡(luò)具有如下特性：平順、全IP(因特網(wǎng)協(xié)議)架構(gòu)、更大的容量、每比特更低的成本、更快的連接、更短的延遲、提高的視頻能力。隨著數(shù)據(jù)服務(wù)持續(xù)爆炸性增長，制造商和服務(wù)供應(yīng)商將如何才能確保新設(shè)備和新應(yīng)用能提供用戶期望的質(zhì)量、吞吐量和性能呢？

幾家領(lǐng)先的行業(yè)組織正在制定旨在推動4G寬帶無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、使這些日益復(fù)雜的設(shè)備能正常工作、使這些要求很高的應(yīng)用得以實施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括稱為長期演進(LTE)和802.16e-2005或移動WiMAX。LTE和移動WiMAX有一個主要的共同特性，它們都采用正交頻分多址(OFDMA)和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。本質(zhì)上，OFDMA和MIMO能以更小帶寬提供更高水平的數(shù)據(jù)傳輸能力。

對空中接口(在發(fā)射器和接收器之間射頻信號的物理路徑)的影響而言，OFDMA和MIMO系統(tǒng)可提升射頻發(fā)射器和接收器的整體性能。無線電信道會受到多方面的影響，比如信號延遲、衰減和障礙物等。這些因素既可能結(jié)合起來改善信號傳輸條件、也可能損壞所傳輸?shù)男盘?，即它們可對整體信道吞吐量/數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生正反兩方面影響。

OFDMA是一種魯棒的數(shù)字調(diào)制機制，能提高整體頻譜效率。為減少多徑干擾，它采用更少的每載波符號率，但它也使用多個載波來增加數(shù)據(jù)速率。OFDMA是在若干載波上同時傳輸多個符號，而不是在一個時間內(nèi)傳送一個符號。副載波分布于多個頻率，且是“正交”的，從而避免相鄰副載波造成的任何干擾。

MIMO系統(tǒng)利用多個發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑以顯著增加吞吐量、擴大鏈接覆蓋范圍而無需額外帶寬或增加發(fā)射功率。可以采用幾種不同技術(shù)實現(xiàn)MIMO，包括空間復(fù)用、自適應(yīng)天線系統(tǒng)(AAS)、空時編碼(STC)和最大比合并(MRC)。

空間復(fù)用一般通過增加系統(tǒng)的容量來改善性能。AAS通過把信號功率指向用戶或使干擾源的影響為零來擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。STC(分集發(fā)射)和MRC(分集接收)分別發(fā)送和接收相同用戶數(shù)據(jù)的多個副本，以避免衰減等損害。

傳統(tǒng)測試方法及限制

隨著復(fù)雜和專門的新硬件和新軟件的推出，測試的挑戰(zhàn)在增加。測試工具是已發(fā)生根本改變的一個領(lǐng)域，特別是用于驗證新一代射頻發(fā)射和接收器測試的工具發(fā)生了翻天覆地的變化。有三種方法可用以測試發(fā)射器和接收器的性能：直接電纜連接、空中測試、借助信道仿真器的連接，如圖1所示。

圖1：用以測試發(fā)射器和接收器的性能的三種方法。

射頻測試傳統(tǒng)上一直是先在實驗室進行，然后再進行空間定點測試以及現(xiàn)場測試。通常，測試射頻電路的第一步是用射頻電纜和連接器將射頻發(fā)射器與接收器直接連接起來。雖然這種測試配置形態(tài)允許以一種受控和可重復(fù)的方法測試發(fā)射器和接收器的性能，但它是一種理想化、非真實的場景。

以電纜為基礎(chǔ)的測試無法滿足模擬當(dāng)信號在空間傳輸以及無線設(shè)備在運動中所處的真實世界動態(tài)條件下所需的更復(fù)雜的測試要求。由于MIMO技術(shù)依賴真實世界行為以提高操作性能，所以在一些測試情況下，實驗室/以電纜為基礎(chǔ)的測試是無效，在許多其它測試中也是不適當(dāng)?shù)摹?/p>

空中(OTA)測試是指對將射頻信號通過空間傳播到一個物理上的遠程接收器這一過程進行的測試，它能提供一定程度的性能測量，但無法提供一致的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。OTA試驗一般是在大房間或野外進行，其條件并不完全可控或可重復(fù)，從而導(dǎo)致不同的測試有不同的結(jié)果。力圖在多種噪聲和不同干擾的現(xiàn)場條件下搭建數(shù)百個復(fù)雜的測試環(huán)境的努力是一項既耗時又費錢的工作。
先進的4G測試：信道仿真

LTE和移動WiMAX技術(shù)的推出，尤其是其OFDMA和MIMO特征，需要先進的測試能力和工具以確保產(chǎn)品設(shè)計滿足或超過3GPP/802.16e的性能預(yù)期?；贛IMO 和OFDMA的4G技術(shù)的復(fù)雜物理層和開放接入要求，也對無線性能/接口質(zhì)量提出了更高要求，從而使4G測試比以往更復(fù)雜。

為彌補實驗室和OTA測試之間的差異，通常采用信道仿真器以精確地表征在實驗室環(huán)境下、基于MIMO和OFDMA的系統(tǒng)的多信道射頻交互對一致性、性能和互操作性方面的影響。

利用復(fù)雜信道模型和多個可編程參數(shù)，信道仿真器以可控和可重復(fù)的方式復(fù)制再現(xiàn)了真實世界的信道傳播條件，從而支持廠商和服務(wù)提供商能在真實世界條件下測試設(shè)備，進而把在“真實”世界中進行測試所花的時間和費用降至最低。

通過在實驗室中重現(xiàn)真實世界的信道條件，基站和移動設(shè)備的信道仿真測試過程可得以大大簡化、效率可得以顯著提升。信道仿真是有效測試LTE、移動WiMAX或任何基于MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵。從最初的研究和設(shè)計、到系統(tǒng)集成、質(zhì)量保證甚至認證和競爭性基準(zhǔn)測試等環(huán)節(jié)，都需要信道仿真。使用信道仿真器，射頻設(shè)計和性能可被驗證、測試覆蓋范圍可被擴充、測試次數(shù)可被減少、還可在相對短的時間內(nèi)將更高質(zhì)量的產(chǎn)品推向市場。

合適的信道仿真器

為滿足最新和新興的移動無線技術(shù)的測試需求，評估為這些工作所選的信道仿真器是否滿足對一致性、功能、性能和互操作性等測試的多樣化需求就是至關(guān)重要的。如上所述，最新的無線寬帶技術(shù)采用了OFDMA，它在最高可達64態(tài)正交調(diào)幅(64QAM)的高階調(diào)制上進行傳輸，此外還采用了利用多天線的MIMO技術(shù)。

因此，信道仿真器需要具有射頻保真和可擴展能力以處理和測試這些功能。下面所列的若干項，是工程師在為測試設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)選擇信道仿真器時應(yīng)著力考察的一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和能力。圖2展示了采用信道仿真器進行測試的例子。借助全雙向MIMO信道，eNodeB可以連接到多臺用戶設(shè)備(UE)。該信道仿真環(huán)境可為每個用戶都提供一個不同路徑，且同時提供了在下行和上行都帶衰減的現(xiàn)實世界場景。下面給出了該信道仿真環(huán)境具有的特性。

圖2：采用信道仿真器進行測試的例子。

可擴展性/多信道：最多4×4結(jié)構(gòu)以支持空間復(fù)用、空時編碼/最大比合并及波束成形。靈活的配置：包括配置用于吞吐量和切換型測試的點對點和點對多點、單向和雙向的能力。雙向：時分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)、波束成形等，都需要現(xiàn)實世界的上行和下行兩個方向。高的射頻保真能力：不會妨礙測試的足夠?qū)挼恼`差向量幅度(EVM)、本底噪聲和動態(tài)功率范圍。信道模型：為測試各種場景，需要標(biāo)準(zhǔn)和用戶自定義信道模型。實時動態(tài)信道建模：長的模型重復(fù)和回放時間?？刂坪妥詣踊夯趫D形用戶界面(GUI)和腳本的仿真控制，以構(gòu)建測試自動化。易于使用：簡單的設(shè)置、配置和測試執(zhí)行以及測試結(jié)果的收集，以支持獨立或集成測試。

本文小結(jié)

諸如采用了MIMO和OFDMA技術(shù)的LTE和移動WiMAX等復(fù)雜的寬帶無線技術(shù)加之用戶對新推出的移動寬帶服務(wù)的高度期待，推動了為確保網(wǎng)絡(luò)互操作性和性能進行更深入廣泛測試的需求。采用信道仿真器利用重構(gòu)的現(xiàn)實世界信道條件來測試設(shè)備極大簡化了更全面測試的實施。

通過提供一種廣泛且具成本效益的解決方案以測試射頻和MIMO算法是否工作正常，并預(yù)測在現(xiàn)實世界環(huán)境下基于MIMO技術(shù)的產(chǎn)品的性能，實驗室控制的信道仿真可以準(zhǔn)確地表征設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的無線交互對一致性、性能、以及互操作性的影響。只有通過這樣全面的測試，制造商才能確保新的、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用和設(shè)備能成功在4G移動網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用。